Порошковая проволока для нанесения жаростойких покрытий

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой проволоке для получения жаростойкого покрытия дуговой металлизацией, и может быть использовано для защиты поверхности деталей, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии. Порошковая проволока для нанесения жаростойких покрытий на детали, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии, состоит из стальной оболочки и сердечника. Для повышения жаростойкости наносимых покрытий сердечник выполняют из шихты, содержащей в долях от массы проволоки: порошок алюминиевый ПА4 3-7%, хром металлический X99H1 23-27%, ферротитан ФТи70С05 0,5-1,2%, ферросилиций ФС90 0,8-1%. 1 табл., 1 пр.

 

Техническое решение относится к области материалов для получения покрытий методами газотермического напыления, а именно к порошковым проволокам для получения жаростойких покрытий с использованием процесса дуговой металлизации, и может быть использовано для защиты поверхности деталей, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии, например труб топочных экранов бойлеров тепловых электростанций.

Известны порошковые проволоки [1], включающие оболочку из стали 08кп и сердечник, выполненный из шихты, в состав которой, в различных сочетаниях, введены феррохромбор ФХБ-2, порошок алюминиевый ПА4, порошок алюминиево-магниевый ПАМ-4, порошок медный ПМС-В, ферромолибден ФМо-60 и феррохром ФХ-800. Химический состав указанных порошковых проволок (в долях от массы проволоки): хром 2,5-9%, бор 1,2-5%, алюминий 1,5-15%, кремний 0,3-0,6%, магний 1-2%, молибден 2,5%, медь 1,8%, железо - основа.

В результате выдержки в течение 24 часов при температуре 700°С покрытия имеют прирост массы порядка 10-50 г/м2 ч. Жаростойкость покрытий, получаемых при дуговой металлизации данными проволоками (показатель, обратный приросту массы), в 8-10 раз выше, чем у низкоуглеродистой стали [2]. Однако этого недостаточно для указанных выше областей применения. Низкая жаростойкость обусловлена наличием в покрытии, получаемом при дуговой металлизации данной проволокой, преимущественно структурных составляющих с низкими защитными свойствами, оксидов Fe2O3, B2О3.

В качестве прототипа выбраны порошковые проволоки [3], включающие оболочку из стали и сердечник, выполненный из шихты, химический состав которой (в долях от массы проволоки): бор 2-3%, алюминий 2-12%, хром 6-10%, железо - основа. В структуре покрытий, получаемых при дуговой металлизации данными проволоками, присутствуют, преимущественно, оксиды Fe2O3, обладающие низкими защитными свойствами, и в меньшей степени Cr2O3 и Аl2O3, в результате выдержки в течение 24 часов при температуре 700°С покрытия имеют прирост массы порядка 10-50 г/м2 ч, как и для аналога, однако при более простой для технологической реализации системе легирования.

К недостаткам прототипа относится низкая жаростойкость покрытий, получаемых при дуговой металлизации данными проволоками.

Задачей технического решения является повышение жаростойкости деталей, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии.

Поставленная задача решается благодаря тому, что на поверхность деталей методом дуговой металлизации наносится жаростойкое покрытие из порошковой проволоки, состоящей из стальной оболочки и сердечника и отличающейся тем, что с целью повышения жаростойкости покрытий сердечник выполнен из шихты, в состав которой введены (в долях от массы проволоки): порошок алюминиевый ПА4 3-7%, хром металлический X99H1 23-27%, ферротитан ФТи70С05 0,5-1,2%, ферросилиций ФС90 0,8-1%.

В отличие от прототипа в состав шихты дополнительно введены титан в виде ферротитана ФТи70С05 0,5-1,2%, кремний в виде ферросилиция ФС90 0,8-1%), а также увеличено количество хрома, введенного в виде хрома металлического Х99Н1 23-27% (в долях от массы проволоки).

За счет введения в шихту порошка алюминиевого и хрома металлического покрытия, получаемые при дуговой металлизации предлагаемой порошковой проволокой, обладают высокой жаростойкостью, так как на их поверхности при нагреве формируются преимущественно оксидные пленки Al2O3 и Cr2O3. Данные пленки характеризуются высокой температурой плавления (2050 и 1990°С соответственно), химической и термической стабильностью, низкой скоростью роста, а также высокой прочностью сцепления с основным металлом в процессе циклических нагревов (теплосмен), благодаря чему обеспечивается продолжительный срок службы защищаемых деталей.

В ходе испытаний [4, 5] установлено, что хромоалюминиевые сплавы, содержащие от 10 до 20% хрома и от 0 до 3% алюминия, при выдержке в течение 240 часов при температуре 1000°С демонстрировали потерю массы более 10 г/м2 ч, то есть обладали низкой жаростойкостью. В то же время сплавы, содержащие от 23 до 27% хрома и от 3 до 7% алюминия, при тех же условиях испытаний демонстрировали потерю массы не более 0,5 г/м2 ч, то есть обладали высокой жаростойкостью. Дополнительное легирование хромом вплоть до 65% и алюминием вплоть до 10% не приводило к увеличению жаростойкости, более того, указанные сплавы обладали высокой хрупкостью после нагрева и охлаждения, вследствие выделения интерметаллидного соединения хрома и железа (FeCr или сигма-фазы), что приводило к их разрушению при эксплуатации [6].

Железохромоалюминиевые сплавы склонны к локальной (язвенной) высокотемпературной коррозии, при протекании которой нарушается сплошность пленки Al2O3, и наблюдается разрушительное окисление [7, 8], при этом инициаторами развития локальных коррозионных поражений являются согласно [7] выделения по границам зерен карбидов хрома с железом.

Для предупреждения развития локальной высокотемпературной коррозии хромоалюминиевых покрытий в состав шихты введен титан в виде ферротитана. Это приводит к образованию термодинамически стабильных и жаростойких карбидов, исключению возможности выделения карбидов хрома с железом, понижению содержания углерода в твердом растворе до концентраций его предельной растворимости при температурах эксплуатации.

При этом предотвращается формирование железохромистых карбидов и шпинелей (Fe, Cr)2О3, обладающих низкими защитными свойствами. В результате замедляется протекание локальной высокотемпературной коррозии.

В работах [4, 5] установлено, что хромоалюминиевые сплавы, содержащие 25% хрома, 5% алюминия и от 0,25 до 0,50% углерода при выдержке в течение 240 часов при температуре 1200°С демонстрировали потерю массы более 1 г/м2 ч, то есть обладали низкой жаростойкостью, за счет выделения по границам зерен карбидов хрома с железом ((Cr Fe)7C3 при высокой температуре и (FeCr)4C при низкой температуре). Эти же сплавы, дополнительно легированные титаном вплоть до 1,20%, при тех же условиях испытаний демонстрировали потерю массы не более 0,2 г/м2 ч, то есть обладали высокой жаростойкостью. Сверхнормативное легирование титаном вплоть до 9% приводило к снижению жаростойкости, вследствие выделения интерметаллидного соединения титана и железа (Fe2Ti), из-за чего указанные сплавы при выдержке в течение 240 часов при температуре 1200°С демонстрировали потерю массы более 1 г/м2 ч, то есть обладали низкой жаростойкостью. В то же время легирование сплавов менее чем 0,50-1,20% титана не оказывало существенного влияния на жаростойкость [4, 5].

Также в шихту предлагаемой порошковой проволоки введен кремний в виде ферросилиция, так как при легировании хромоалюминиевых сплавов кремнием образуется подокалинный слой оксида SiO2, за счет чего уменьшается диффузия железа к поверхности окалины, а также диффузия кислорода и азота в подокалинные слои. Таким образом, образование оксидов железа и нитридов алюминия, снижающих жаростойкость покрытий, ограничено диффузионно-барьерным слоем оксида SiO2 [8, 9].

Сверхнормативное легирование кремнием, начиная с 1,5%, смещает область образования сигма-фазы в сторону более низких содержаний хрома и, кроме того, способствует росту зерна хромистых сплавов, что приводит к их охрупчиванию и разрушению при эксплуатации. В тоже время легирование хромистых сплавов менее чем 0,8-1,2% кремния не оказывало существенного влияния на жаростойкость [5].

Пример конкретного выполнения

Покрытие толщиной 0,2 мм по предложенному техническому решению нанесено методом дуговой металлизации из разработанной проволоки (аппарат АДМ-10, ток 160А, напряжение 28 В) на пластины 30×20×1,5 мм из стали 3. Жаростойкость образцов покрытий определяли согласно ГОСТ 9.312 как величину, обратную приросту массы в результате выдержки в течение 24 часов при температуре 700°С. Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом показано в таблице.

Техническое решение позволяет повысить жаростойкость покрытий, получаемых при дуговой металлизации порошковой проволоки, по сравнению с покрытиями, получаемыми из проволоки-прототипа в 5-8 раз.

Таблица
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом
Виды технического
результата
Показатели фактические, среднее значение Объяснение, за счет чего стало возможным улучшение показателей
предложенного объекта по сравнению с прототипом
прототипа заявляемого объекта
Прирост массы,
г/м2 ч
10-50 2-6 1. Введение в шихту порошковой проволоки порошка алюминиевого ПА4 3-7% и хрома металлического X99H1 23-27% (в долях от массы проволоки) обеспечивает формированию оксидных пленок Al2O3 и Cr2О3 с высокими защитными свойствами
2. Введение в шихту порошковой проволоки ферротитана ФТи70С05 0,5-1,2% (в долях от массы проволоки) предотвращает формирование
железохромистых карбидов (Fe, Cr)7С3, шпинелей (Fe, Cr)2O3, а следовательно, и развитие локальной высокотемпературной коррозии
3. Введение в шихту порошковой проволоки ферросилиция ФС90 0,8-1,2% (в долях от массы проволоки) обеспечивает формирование оксидной пленки SiO2 и предотвращает образование оксидов железа с хромом и нитридов алюминия,
снижающих жаростойкость покрытий

Литература

1. V. Pokhmurs'kyi, М. Student, В. Formanek, V. Serivka, Yu. Dz'oba, V. Dovhunyk, I. Sydorak. Heat resistance of electric arc coatings made of Fe-Cr-B-Al powder wire // Materials Science, Vol.39, No. 6, 2003.

2. Никитин В.И. Расчет жаростойкости металлов. - М.: Металлургия, 1976. - 207 с.

3. M.M. Student, H.V. Pokhmurs'ka, V.V. Hvozdets'kyi, M.Ya. TTolovchuk, M.S. Romaniv. Effect of high-temperature corrosion on the gas-abrasive resistance of electric-arc coatings // Materials Science, Vol.45, No. 4, 2009

4. Корнилов, И.И. Железные сплавы: В 3 т.Т. 1: Сплавы железо - хром - алюминий. Акад. наук СССР. Ин-т общей и неорган, химии. Лаб. железных сплавов. - М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1945. - 192 с.

5. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1969. - 749 с.

6. Гудремон Э. Специальные стали. Т.2. - М.: Металлургия, 1966. - 737 с.

7. Бекетов Б.И. Исследование влияния легирующих элементов на характер и кинетику процесса высокотемпературного окисления и разработка ферритной стали, жаростойкой до 1100°С // Автореф. дис. канд. тех. наук. - М., 1971. - 24 с.

8. Жуков Л.Л., Племянникова И.М, Миронова М.Н., Баркая Д.С., Шумков Ю.В. Сплавы для нагревателей. - М.: Металлургия, 1985. - 144 с.

9. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок // Под ред. Симса Ч.Т., Столоффа Н.С., Хагеля У.К.: Пер. с англ. В 2-х книгах. Кн. 2. // Под ред. Шалина Р.Е. - М.: Металлургия, 1995. - 384 с.

Порошковая проволока для нанесения жаростойких покрытий на детали, работающие в условиях высокотемпературной газовой коррозии, состоящая из стальной оболочки и сердечника, отличающаяся тем, что сердечник выполнен из шихты, содержащей в долях от массы проволоки: порошок алюминиевый ПА4 3-7%, хром металлический X99H1 23-27%, ферротитан ФТи70С05 0,5-1,2%, ферросилиций ФС90 0,8-1%.



 

Похожие патенты:
Изобретение может быть использовано при наплавке под флюсом для восстановления изношенных деталей и получения износостойкого защитного покрытия на деталях металлургического оборудования, работающих в условиях сжатия и абразивного износа при температурах 600°C.
Изобретение может быть использовано при наплавке под флюсом для восстановления изношенных деталей и получения износостойкого защитного покрытия на деталях металлургического оборудования, работающих в условиях сжатия и абразивного износа при температурах 600°C, например прокатных валков черновых и чистовых калибров, а также роликов подающих рольгангов.

Изобретение может быть использовано для электродуговой наплавки оборудования и инструмента, работающих в условиях термомеханического циклического нагружения, например деталей медеразливочных машин, прессового инструмента горячего деформирования, валков горячей прокатки.

Изобретение относится к сварочной проволоке из нержавеющей стали с флюсовым сердечником для сварки стального оцинкованного листа. .

Изобретение относится к наплавочным материалам, в частности к порошковым проволокам для дуговой наплавки в защитных газах инструмента и деталей, работающих при больших удельных давлениях и повышенных температурах.

Изобретение относится к области электродуговой наплавки износостойких сплавов и может быть использовано для повышения стойкости деталей, работающих на истирание в контакте с агрессивными средами.

Изобретение относится к области электродуговой наплавки износостойких сплавов, в частности к составу порошковой проволоки. .
Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для наплавки деталей, испытывающих активный абразивный износ металла по металлу в условиях повышенной температуры и многократных перепадов температур, например валков горячей прокатки, опорных валков, привалковой арматуры и других деталей металлургического оборудования прокатных станов.
Изобретение относится к электродным материалам для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. .

Порошковая проволока может быть использована при механизированной и автоматической сварке и наплавке металлических деталей под водой мокрым способом. В стальной оболочке размещена шихта, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: рутиловый концентрат 23-42; гематит 18-27; железный порошок 28-42; ферромарганец 3-8; никель 3-5; комплексный фторид щелочного металла 5-18. Порошковая проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивает мелкокапельный перенос расплавленного металла, стабильность горения дуги и позволяет улучшить качество сварных соединений за счет активных металлургических реакций по связыванию водяного пара и водорода. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение может быть использовано при механизированной и автоматической сварке и наплавке металлических деталей под водой мокрым способом. В стальной оболочке проволоки размещена шихта, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: рутиловый концентрат 25-37; плавиковый шпат 8-17; железный порошок 32-45; ферромарганец 5-9; никель 1-3; карбонат щелочного металла 3-7; комплексный фторид щелочного металла 3-13. Порошковая проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивает мелкокапельный перенос расплавленного металла, стабильность горения дуги и позволяет улучшить формирование шва и качество сварных соединений за счет активных металлургических реакций по связыванию воды и водорода. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение может быть использовано при дуговой сварке и наплавке металлических деталей. На внешней и/или внутренней поверхности металлической оболочки порошковой проволоки выполнено нанокомпозиционное покрытие в виде металлической матрицы с распределенной в ней смесью наноразмерных частиц фторида металла и редкоземельных металлов. Размещенная в полости оболочки шихта содержит шлакообразующие, газообразующие, ионизирующие и легирующие компоненты. Упомянутое покрытие имеет следующее соотношение объемов матрицы и наноразмерных частиц, %: металлическая матрица 55-98, наноразмерные частицы фторида металла 1-30, наноразмерные частицы редкоземельных металлов 1-15. Наноструктурированная порошковая проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивает мелкокапельный переход электродного металла и позволяет улучшить механические свойства сварных соединений. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Порошковая проволока может быть использована при механизированной и автоматической подводной сварке и наплавке металлических деталей. Порошковая проволока состоит из стальной оболочки и размещенной внутри нее шихты. На ее поверхности выполнено композиционное покрытие в виде медной матрицы с распределенными в ней наноразмерными частицами активирующего флюса, содержащего фторид щелочного металла. Шихта содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: рутиловый концентрат 24-38,5; двуокись кремния 1,5-6,6; гематит 2,8-16,5; железный порошок 32-45; ферромарганец 5-12; никель 1-3; карбонат щелочного металла 3-7; комплексный фторид щелочного металла 2-8. Порошковая проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивает мелкокапельный переход, стабильность горения дуги и позволяет улучшить качество сварных соединений за счет активных металлургических реакций по связыванию водяного пара и водорода. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение может быть использовано при наплавке порошковой проволокой рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости. Шихта порошковой проволоки содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,01-0,5, марганец 0,6-4,4, кремний 0,4-1,6, хром 0,9-15,0, молибден 0,1-11,9, вольфрамсодержащий концентрат 0,15-4,6, ванадий 0,3-2,5, алюминий 0,15-1,5, никель 0,03-15, пыль электрофильтров алюминиевого производства 1-12, железо остальное. За счет оптимизации химического состава шихта обеспечивает повышение механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, снижение содержания водорода и уменьшение загрязненности наплавляемого слоя неметаллическими включениями. 2 табл.

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть применено при механизированной и автоматической сварке и наплавке металлических деталей под водой. Предлагаемая порошковая проволока для подводной сварки сталей по первому варианту состоит из стальной оболочки и шихты, содержащей рутиловый концентрат, гематит, железный порошок, ферромарганец, никель, комплексный фторид щелочного металла и политетрафторэтилен при следующем содержании компонентов, мас.%: рутиловый концентрат 23-42; гематит 18-27; железный порошок 28-42; ферромарганец 5-9; никель 3-5; комплексный фторид щелочного металла 3-15; политетрафторэтилен 3-15. Порошковая проволока для подводной сварки сталей по второму варианту состоит из стальной оболочки и шихты, содержащей рутиловый концентрат, гематит, железный порошок, ферромарганец, никель, комплексный фторид щелочного металла и тетрафторид углерода при следующем содержании компонентов, мас.%: рутиловый концентрат 23-42; гематит 18-27; железный порошок 28-42; ферромарганец 5-9; никель 3-5; комплексный фторид щелочного металла 3-15; тетрафторид углерода 3-15. Предлагаемые порошковые проволоки позволяют улучшить качество сварного шва и уменьшить образование газовых пор при подводной сварке. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 пр.

Изобретение может быть использовано для сварки нержавеющих сталей, в частности сталей серии 400, сварочной проволокой с флюсовой сердцевиной. Нержавеющая хромистая сталь трубчатой оболочки содержит, вес.%: 10-18 Cr, менее 5 Ni. Размещенный в ней флюс содержит, вес.%: Cr 68, Mn 1-10 и Si 2-15 и Fe остальное. Коэффициент заполнения сварочной проволоки составляет 5-25%, предпочтительно 10-20%. Наплавленный упомянутой проволокой металл имеет однородный химический состав. Благодаря снижению потери хрома во время переноса в наплавленный металл до менее 0,1% сварочная проволока с флюсовой сердцевиной не ржавеет под воздействием воздуха в течение длительного времени. Проволока обладает высокой стабильностью состава флюса, при этом исключаются неблагоприятные обстоятельства процесса изготовления, связанные с высоким коэффициентом ее заполнения. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 табл., 6 ил.
Наверх